压力焊过程是通过适当的物理-化学过程,使两个分离表面的金属原子接近到原子能够发生相互作用的距离(约为0.3~0.5nm)形成金属键,从而使两金属连为一体,达到焊接目的。可见,压力焊是通过对焊区施加一定的压力而实现的,压力大小与材料种类、焊接温度、焊接环境和介质等有关,压力的性质可以是静压力、冲击力或爆炸力。在多数压力焊过程中,焊接区的金属处于固态,依赖压力(不加热或伴以加热)作用下的塑性变形、再结晶和扩散等过程而形成接头。
压力与加热温度之间存在着一定关系,从图1可以看出,焊接区金属温度越低,实现焊接所需的压力就越大。压力是使两分离焊件表面紧密接触形成焊接接头的重要条件;加热可提高金属塑性,降低金属变形阻力,显著减小所需压力,同时加热又能增加金属原子的活动能力和扩散速度,促进原子间的相互作用易于实现焊接。例如,室温下,铝对接端面的变形度要达到60%以上才可以实现焊接(冷压力焊),而在400℃时只需8%的变形度就能实现焊接(电阻对焊),当然,此时所施加的压力将大大降低。由图1可以看出,冷压力焊所需压力最大,扩散焊最小,而熔焊则不需要压力。一般来说。这种固态焊接接头的质量,主要取决于待焊表面氧化膜(室温下其厚度为1~5nm)和其他不洁物在焊前和焊接过程中被清除程度,并与接头部位的温度、压力、变形和若干场合下的其他因素(如超声波焊接时的摩擦,扩散焊时真空度等)有关。
基于压力焊原理的微连接技术还涉及扩散焊和超声波焊等方法。
扩散焊是在一定温度和压力下,经过一定的时间,通过连接界面原子间相互扩散实现连接的方法。
超声波焊接是利用超声波的高频振动,在静压力作用下将弹性振动能量转变为工件的摩擦力和形变能,对焊件进行局部清理和加热的一种焊接方法。超声波焊二般经过三个阶段:第一阶段为振动摩擦阶段,其作用是排除焊件表面油污、氧化物等杂质,使纯净的表面暴露;第二阶段为温度升高阶段,在超声波连续往复摩擦中,接触表面温度升高,变形抗力下降,在静压力和机械振动引起的交变切应力下,焊件接触表面的塑性流动不断进行,使金属表面的原子接近到能发生引力作用的范围,发生原子扩散和相互结合;第三阶段为固态结合阶段,随着摩擦过程的进行,微观接触面积越来越大,接触部分的变形也不断增加,使焊件间产生冶金结合,形成牢固接头。
基于压力焊原理的微连接技术主要应用于微电子器件内引线连接。通过一定压力、加热、超声波等手段,在接头内金属不熔化前提下,使被连接面之间发生原子扩散,该连接技术有时被称为键合技术。引线键合在基于压力焊原理的微连接技术中应用最广泛。引线键合是将半导体芯片焊区与电子封装外壳的I/O引线或基板上布线焊区用金属细丝连接起来的方法。焊区金属一般为铝或金,金属丝多数是数十微米至数百微米直径的Au丝、Al丝或Si-Al丝。焊接方式主要有热压力焊、超声键合焊和Au丝球焊。引线键合原理是采用加热、加压和超声等方式破坏被焊表面的氧化层,使得引线与被焊面紧密接触,达到原子间的引力范围并导致界面间原子扩散形成焊点。引线键合生产成本低、互连焊点的精度和可靠性高,该技术已成为芯片互连的主要方法,广泛用于各种芯片级封装和低成本的芯片封装中。由于微电子元器件的微型化,又出现了自动载带键合(tape automated bonding)和倒装(flip-chip)焊等新的键合方法。